СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G05F1/44 

Изобретение относится к стабилизированным источникам высокого напряжения и может быть использовано для питания трубок рентгеновских аппаратов, кинескопов телевизоров и мониторов, множительных копировальных аппаратов, фотоэлектронных умножителей и других высоковольтных потребителей.

Известны рентгеновские генераторы с электронной стабилизацией высокого напряжения, содержащие измерительный делитель выходного напряжения, сигнал которого используется для сравнения с эталонным напряжением в схеме сравнения, выходной сигнал которой используется для управления регулирующим элементом [Шмелев В.К. "Рентгеновские аппараты". - М.: "Энергия", 1973, с. 171-173].

Известны двухконтурные рентгеновские генераторы с электронной стабилизацией высокого напряжения, в которых главный контур регулирования напряжения содержит все перечисленные выше узлы. Управляющее воздействие сравнивающего устройства прикладывается через частотно-импульсный модулятор к ключам электронного коммутатора [а.с. СССР 711708] или посредством импульсно-фазовой модуляции управляет амплитудой переменного напряжения сети на первичной обмотке главного трансформатора [а.с. СССР 743241].

Все перечисленные источники содержат узел делителя напряжения, который подключается параллельно нагрузке и к которому прикладывается все выходное напряжение с уровнем от 20-30 до 150 кВ.

Для мощных рентгеновских источников эквивалентное сопротивление нагрузки составляет около 15 МОм. При меньшей мощности, например для источника питания кинескопа, при уровне напряжения 25 кВ потребляемый ток имеет порядок 1 мА, а эквивалентное сопротивление кинескопа

Делитель напряжения не должен перегружать источник, потребляя (1-2)% тока нагрузки. Сопротивление делителя при этом должно составлять порядка 25•10² МОм. Высоковольтных резисторов такого номинала промышленность не производит, поэтому для маломощных источников высокого напряжения с делителем напряжения задача стабилизации выходного напряжения становится проблематичной.

Резистивный делитель напряжения в составе высоковольтного источника обуславливает его другие существенные недостатки. Он образует гальваническую связь высоковольтных выходных цепей источника и низковольтных цепей схемы управления регулирующим элементом. На переходных режимах, при коронировании и пробоях высокого напряжения в цепях нагрузки, высоковольтные импульсы проникают в низковольтную часть источника и вызывают электрический пробой элементов схемы.

Кроме того, делитель напряжения высоковольтного источника обладает очень низким коэффициентом передачи. При напряжении на выходе источника на уровне 50 кВ выходное напряжение делителя должно быть на уровне напряжения низковольтной части, т. е. 5-10 В. Тогда коэффициент передачи делителя k_д= 5/50,000= 0,0001. Т. о. эффективность резистивного делителя как датчика обратной связи в цепи управления очень низка.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является стабилизированный источник высокого напряжения, содержащий непрерывный стабилизатор постоянного напряжения, состоящий из регулирующего элемента и сравнивающего узла, преобразователь постоянного напряжения в переменное, блок умножителя напряжения, делитель выходного напряжения, полевой транзистор и резистор [а.с. СССР 607319]. Применение полевого транзистора позволяет уменьшить ток делителя и повысить эффективность цепи обратной связи. При уменьшении тока делителя до нескольких микроампер сопротивление делителя еще боле возрастает, теряя свою стабильность за счет паразитных поверхностных и объемных токов. Гальваническая связь через делитель остается, поэтому надежность сохраняется низкой.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности высоковольтного стабилизированного источника за счет исключения гальванической связи через делитель высоковольтного выхода источника и низковольтного входа схемы регулирования. Цель достигается тем, что предлагаемый источник снабжен измерительной ячейкой Керра, входная система электродов которой соединена с выводами для подключения нагрузки источника, а оптический выход - через фотопреобразователь и усилитель с узлом сравнения непрерывного стабилизатора.

Действие ячейки основано на явлении двойного лучепреломления в жидкости под действием электрического поля системы плоскопараллельных электродов. Поляризованный луч при входе в ячейку расщепляется на два луча, которые на выходе имеют разность фаз. Величина этой разности зависит от приложенного к ячейке напряжения и, в конечном итоге, определяет интенсивность света I_k на выходе:

где В_k - постоянная Керра;
L - толщина слоя жидкости;
U - напряжение, приложенное к ячейке;
I₀ - интенсивность света при входе в ячейку;
d - расстояние между пластинами конденсатора ячейки.

Графически зависимость (1) представлена на фиг.1. На участке 0-а зависимость однозначна и может быть использована как рабочий режим измерительной ячейки. Подбирая значения конструктивных параметров d и L ячейки, можно обеспечить измерение напряжения во всем диапазоне его изменения. Диапазон измерения Umax должен удовлетворять условию U_max≤U_λ|2, где U_λ|2 - полуволновое напряжение ячейки.

По данным литературной и патентной информации ячейка Керра требует дополнительного оборудования в соответствии с фиг.2, где 1 - источник излучения (лазер), 2 и 4 - поляроиды, 3 - собственно ячейка, 5 - фотопреобразователь. В качестве источника излучения удобно использовать маломощный полупроводниковый лазер, в качестве фотопреобразователя - фотодиод.

С учетом замены делителя выходного напряжения на ячейку Керра предлагаемый стабилизированный источник высокого напряжения имеет структурную схему фиг. 3 и содержит непрерывный стабилизатор 1, состоящий из регулирующего элемента 4, узла сравнения 5 и источника опорного напряжения 2, преобразователь 6 постоянного напряжения в переменное, умножитель напряжения 8, измерительную ячейку Керра 10, полупроводниковый лазер 11, запитанный от вспомогательного источника 3, фотопреобразователь 9 и усилитель сигнала фотопреобразователя 7. Вход непрерывного стабилизатора 1 подключен к источнику постоянного напряжения, а выход - к преобразователю 6 постоянного напряжения в переменное, выход которого через блок умножителя напряжения 8 подключен к выводам для подключения нагрузки и к входой системе электродов измерительной ячейки Керра 10, рабочая жидкость которой передает действие электрического поля на пронизывающий ячейку световой луч источника 11, модулируя его интенсивность. Выход ячейки оптическим каналом соединен со входом фотопреобразователя 9, соединенного выходом со входом усилителя 7. Выход усилителя соединен со входом узла сравнения 5 непрерывного стабилизатора 1. Источник света 11 запитан от вспомогательного источника 3.

Элементы 4, 6, 8, 10, оптопара 11-9 и далее элементы 9, 7 и 5 образуют замкнутый контур регулирования, в котором цепь обратной связи имеет оптический канал, обеспечивающий гальваническую развязку высоковольтного выхода умножителя напряжения и низковольтного входа усилителя сигнала фотопреобразователя.

По сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение отличается тем, что в нем:
- обеспечена гальваническая развязка высоковольтного выхода источника и низковольтного входа схемы регулирования,
- практически исключается потребление мощности (тока) с высоковольтного выхода измерителем выходного напряжения в результате замены делителя напряжения на измерительную ячейку Керра,
- повышается эффективность цепи обратной связи,
- обеспечивается возможность выноса электрических участков цепи обратной связи из области сильного электрического поля умножителя напряжения, используя оптоволоконную линию передачи светового сигнала из ячейки Керра к фотопреобразователю.

Выделенные признаки с их функциями не выявлены в других технических решениях для высоковольтных маломощных источников, что соответствует критерию "существенное отличие".

Положительным эффектом при осуществлении заявленного технического решения будет повышение надежности стабилизированного источника высокого напряжения.

Функционирование стабилизированного источника осуществляется следующим образом. При увеличении выходного напряжения интенсивность света I_k на выходе ячейки растет в соответствии с графиком фиг.1. После преобразования фотосигнала элементом 9 усилитель 7 подает на вход элемента сравнения 5 напряжение, превышающее величину опорного напряжения. Узел сравнения 5 формирует выходной сигнал такого знака, при котором регулирующий элемент 4 стабилизатора призакрывается, уменьшая напряжение на выходе умножителя. Процесс продолжается до момента, когда напряжение на выходе достигнет заданного напряжения стабилизации.

При уменьшении выходного напряжения цепь обратной связи выдает на элемент сравнения такое напряжение, при котором узел сравнения вырабатывает сигнал, приоткрывающий регулирующий элемент. В результате выходное напряжение возрастает до прежнего значения, т.е. стабилизируется.

Предлагаемый источник может найти применение для стабилизации высоковольтного напряжения питания широкого класса маломощных потребителей (лабораторного и промышленного электронного оборудования), в частности для питания трубок рентгеновских аппаратов.

Изобретение относится к стабилизированным источникам высокого напряжения и может быть использовано для питания трубок рентгеновских аппаратов, кинескопов телевизоров, множительных копировальных аппаратов фотоэлектронных умножителей и других высоковольтных потребителей. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности высоковольтного стабилизированного источника за счет исключения гальванической связи через делитель высоковольтного выхода источника и низковольтного входа системы регулирования. Цель достигается тем, что в качестве измерительного преобразователя используется ячейка Керра, причем вход ее присоединен к выводам для подключения нагрузки, а выход соединен через фотопреобразователь и усилитель со входом сравнивающего узла непрерывного стабилизатора. Функционирование стабилизированного источника осуществляется следующим образом: при увеличении выходного напряжения интенсивность света I_k на выходе ячейки растет в соответствии с градуировочным графиком. После преобразования оптического сигнала фотопреобразователем в электрический, его усиления, он подается на вход элемента сравнения с уровнем напряжения, превышающим величину опорного напряжения. Узел сравнения формирует выходной сигнал такого знака, при котором регулирующий элемент стабилизатора призакрывается, уменьшая напряжение на выходе умножителя. Процесс продолжается до момента, когда напряжение на выходе достигнет заданного напряжения стабилизации. При уменьшении выходного напряжения цепь обратной связи выдает на элемент сравнения такое напряжение, при котором узел сравнения вырабатывает сигнал, приоткрывающий регулирующий элемент. В результате выходное напряжение возрастает до прежнего значения, т.е. стабилизируется. 3 ил.

Стабилизированный источник высокого напряжения, содержащий непрерывный стабилизатор постоянного напряжения, состоящий из регулирующего элемента, узла сравнения и источника опорного напряжения, соединенный входом с выводами для подключения постоянного питающего напряжения, а выходом - с входом преобразователя постоянного напряжения в переменное, выход которого через блок умножителя напряжения соединен с выводами для подключения к нагрузке и к входу измерительного преобразователя, отличающийся тем, что в качестве измерительного преобразователя используется ячейка Керра, причем вход ее присоединен к выводам для подключения нагрузки, а выход соединен через фотопреобразователь и усилитель со входом узла сравнения непрерывного стабилизатора, при этом регулирующий элемент, преобразователь постоянного напряжения, умножитель напряжения, ячейка Керра, фотопреобразователь, усилитель и узел сравнения образуют замкнутый контур регулирования.